DE202016008286U1 - Copper-ceramic composite - Google Patents
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Abstract
Kupfer-Keramik-Verbund, umfassend – ein Keramiksubstrat, – eine auf dem Keramiksubstrat vorliegende Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, wobei die Körner des Kupfers oder der Kupferlegierung jeweils einen maximalen Korndurchmesser dK,max, einen senkrecht zu dK,max verlaufenden Korndurchmesser dK,ortho, bestimmt auf halber Länge von dK,max, und einen Formfaktor RK = dK,ortho/dK,max aufweisen und das Kupfer oder die Kupferlegierung einen mittleren Korn-Formfaktor Ra(Cu), der der arithmetische Mittelwert aus den Formfaktoren RK der Körner des Kupfers oder der Kupferlegierung ist, von mindestens 0,4 aufweist.Copper-ceramic composite, comprising - a ceramic substrate, - a copper or copper alloy coating on the ceramic substrate, the grains of copper or copper alloy each having a maximum grain diameter dK, max, a grain diameter dK perpendicular to dK, max ortho, determined at half the length of dK, max, and having a shape factor RK = dK, ortho / dK, max, and the copper or copper alloy having a mean grain form factor Ra (Cu), which is the arithmetic mean of the shape factors RK of the grains of the copper or copper alloy is of at least 0.4.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kupfer-Keramik-Verbund sowie ein diesen Verbund enthaltendes Modul, das in Leistungselektronikbauteilen verwendet werden kann.The present invention relates to a copper-ceramic composite and a module containing this composite, which can be used in power electronics components.
Keramikschaltungsträger sind aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit, hohen Formstabilität bzw. mechanischen Festigkeit sowie ihrer hohen Isolationsfestigkeit insbesondere im Bereich der Hochleistungselektronik von Interesse.Ceramic circuit carriers are due to their high thermal conductivity, high dimensional stability or mechanical strength and their high insulation resistance, especially in the field of high-performance electronics of interest.
Für die Metallisierung eines Keramiksubstrats stehen verschiedene Verfahren wie z. B. Direct-Copper-Bonding (üblicherweise als DCB-Verfahren bezeichnet) oder Active-Metal-Brazing (üblicherweise als AMB-Verfahren bezeichnet) zur Verfügung.For the metallization of a ceramic substrate are various methods such. Direct-Copper-Bonding (commonly referred to as DCB-method) or Active-Metal-Brazing (commonly referred to as AMB-method) are available.
Das nach der Metallisierung des Keramiksubstrats erhaltene Verbundmaterial wird auch als Metall-Keramik-Substrat oder Metall-Keramik-Verbund bezeichnet. Sofern es beispielsweise durch ein DCB-Verfahren hergestellt wurde, wird häufig auch die Bezeichnung „DCB-Substrat” verwendet.The composite material obtained after metallization of the ceramic substrate is also referred to as metal-ceramic substrate or metal-ceramic composite. For example, if made by a DCB process, the term "DCB substrate" is often used.
Bei dem DCB-Verfahren wird ausgenutzt, dass Sauerstoff den Schmelzpunkt des Kupfers von 1083°C auf die eutektische Schmelztemperatur von 1065°C reduziert. Durch die Oxidation von Kupferfolien vor der Metallisierung des Keramiksubstrates oder durch Sauerstoffzufuhr während des Hochtemperaturprozesses (beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 1065°C und 1080°C) entsteht eine dünne eutektische Schmelzschicht. Diese reagiert mit der Oberfläche des Keramiksubstrats, so dass Keramik und Metall haftfest miteinander verbunden werden können.In the DCB process, oxygen is used to reduce the melting point of the copper from 1083 ° C to the eutectic melting temperature of 1065 ° C. The oxidation of copper foils before the metallization of the ceramic substrate or by supplying oxygen during the high-temperature process (for example, at a temperature between 1065 ° C and 1080 ° C) creates a thin eutectic melt layer. This reacts with the surface of the ceramic substrate, so that ceramic and metal can be firmly bonded together.
DCB-Verfahren werden beispielsweise in
Die Metallisierung kann beispielsweise nur auf einer Seite des Keramiksubstrats („Single-Layer-Bonding” SLB) oder alternativ auch auf beiden Seiten des Keramiksubstrates gleichzeitig („Double-Layer-Bonding” DLB) erfolgen. Außerdem ist es möglich, zunächst eine erste Seite des Substrats durch einen ersten SLB-Schritt zu metallisieren und anschließend auch die gegenüberliegende Substratseite in einem weiteren SLB-Schritt zu metallisieren.The metallization may, for example, occur only on one side of the ceramic substrate ("single-layer bonding" SLB) or alternatively also on both sides of the ceramic substrate simultaneously ("double-layer bonding" DLB). In addition, it is possible first to metallize a first side of the substrate by a first SLB step and then to metallize the opposite substrate side in a further SLB step.
Bekannt ist auch, die aufgebrachte Metallbeschichtung für die Ausbildung von Leiterbahnen zu strukturieren, beispielsweise über Ätzverfahren.It is also known to structure the applied metal coating for the formation of interconnects, for example via etching.
In vielen Anwendungen der Leistungselektronik unterliegt der Metall-Keramik-Verbund hohen Temperaturwechselbelastungen, bei denen deutliche Temperaturänderungen (z. B. im Bereich von –40°C bis +150°C) auftreten können.In many applications of power electronics, the metal-ceramic composite is subject to high thermal cycling, where significant temperature changes (eg in the range from -40 ° C to + 150 ° C) can occur.
Bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Keramiksubstrats und der Metallbeschichtung ergeben sich am Übergang zwischen diesen Schichten bei Temperaturschwankungen erhebliche mechanische Spannungen, die letztlich zu einer zumindest partiellen Ablösung des Metalls von der Keramikoberfläche führen können. Bekannt ist, dass durch eine spezifische Strukturierung der Metallschicht in ihrem Randbereich der Gradient der Zug- und Druckspannungen verringert und somit die Temperaturwechselbeständigkeit verbessert werden kann.
Weitere relevante Eigenschaften eines Kupfer-Keramik-Verbunds für Anwendungen in der Elektronik sind außerdem dessen Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit (insbesondere die Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit des Keramiksubstrats), ein gutes Bondingverhalten der Kupferbeschichtung gegenüber Bondingdrähten sowie eine möglichst feste Bindung der Metallbeschichtung an die Keramikoberfläche, wobei diese Bindung auch unter längeren Temperaturwechselbelastungen ausreichend fest bleibt sollte.Other relevant properties of a copper-ceramic composite for applications in electronics are also its thermal conductivity and mechanical strength (in particular the thermal conductivity and mechanical strength of the ceramic substrate), a good bonding behavior of the copper coating to bonding wires and the strongest possible bonding of the metal coating to the ceramic surface, this bond should remain sufficiently strong even under prolonged thermal cycling.
In der
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Metall-Keramik-Verbunds mit verbessertem Eigenschaftsprofil, insbesondere einer guten Temperaturwechselbeständigkeit. An object of the present invention is to provide a metal-ceramic composite having an improved property profile, in particular a good thermal shock resistance.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Kupfer-Keramik-Verbund, umfassend
- – ein Keramiksubstrat,
- – eine auf dem Keramiksubstrat vorliegende Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung,
- A ceramic substrate,
- A coating of copper or a copper alloy present on the ceramic substrate,
Bei der Kupferbeschichtung eines Kupfer-Keramik-Verbunds handelt es sich allgemein um ein polykristallines Material, das aus kleinen Kristalliten (die auch als Körner bezeichnet werden) besteht. Auf mikroskopischer Ebene können polykristalline Materialien anhand ihrer Kornstruktur (z. B. Korngrößenverteilungen, Form der Körner, Textur, ... etc.) eingehender charakterisiert werden.The copper coating of a copper-ceramic composite is generally a polycrystalline material consisting of small crystallites (also called grains). At a microscopic level, polycrystalline materials can be further characterized by their grain structure (eg grain size distributions, shape of the grains, texture, etc.).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend festgestellt, dass eine Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit erzielt werden kann, wenn die Körner der Kupferbeschichtung in ihrer zweidimensionalen Projektion in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Keramiksubstrats eine Form aufweisen, die möglichst kreisförmig bzw. rund ist.In the context of the present invention, it has surprisingly been found that an improvement in the thermal shock resistance can be achieved if the grains of the copper coating in their two-dimensional projection in a plane parallel to the surface of the ceramic substrate have a shape that is as circular as possible or round.
Erfindungsgemäß versteht man unter einer Temperaturwechselbeständigkeit den Widerstand bzw. die Widerstandsfähigkeit der Kupferschicht gegen Delamination von der Keramik eines Kupfer-Keramik-Substrates, wobei der Widerstand in Folge von zumindest einem Temperaturwechsel der Kupferschicht gegenüber der Keramik bestimmt wird. Eine verbesserte Temperaturwechselbeständigkeit bedeutet, dass die Anzahl der widerstandenen Temperaturwechsel sich vergrößert.According to the invention is understood by a thermal shock resistance, the resistance or resistance of the copper layer against delamination of the ceramic of a copper-ceramic substrate, wherein the resistance in consequence of at least one temperature change of the copper layer is determined relative to the ceramic. Improved thermal shock resistance means that the number of resistive temperature changes increases.
Erfindungsgemäß wird unter einem verbesserten Drahtbonding verstanden, dass die Kraft, mit der der Bonddraht von der Kupferoberfläche eines Kupfer-Keramik-Verbundes abgelöst werden kann, erhöht ist.According to the invention, an improved wire bonding means that the force with which the bonding wire can be detached from the copper surface of a copper-ceramic composite is increased.
Erfindungsgemäß wird unter einer verbesserten Kupferhaftfestigkeit eine Haftfestigkeit des Kupfers gegenüber dem Kupfer-Keramik-Verbundes verstanden, so dass die Kraft, mit der die gebondete Kupferfolie von der Keramikoberfläche eines Kupfer-Keramik-Verbundes abgelöst werden kann, erhöht ist. Aus der
Erfindungsgemäß wird unter einer verbesserten Biegebruchfestigkeit der Keramik verstanden, dass bei einer Drei-Punkt-Biegung die zum Bruch führende Kraft erhöht ist. Dem Fachmann ist beispielsweise zur Biegebruchfestigkeitsbestimmung der Keramik die
Die Form eines individuellen Korns lässt sich über seinen Formfaktor RK ausdrücken, der das Verhältnis des maximalen Korndurchmessers dK,max zu dem senkrecht zu dK,max verlaufenden Durchmesser dK,ortho, bestimmt auf halber Länge von dK,max, ist (d. h. RK = dK,ortho/dK,max). Dies ist schematisch in
Aus dem arithmetischen Mittelwert der Formfaktoren RK der Körner erhält man den mittleren Korn-Formfaktor Ra(Cu) des Kupfers oder der Kupferlegierung. Enthält ein Kupfermaterial beispielsweise einen hohen Anteil länglicher Körner, so wird der mittlere Korn-Formfaktor dieses Kupfers einen relativ niedrigen Wert annehmen. Andererseits gilt, dass sich der mittlere Korn-Formfaktor umso mehr dem Wert 1,0 annähert, je höher der Anteil von runden, kreisförmigen Körnern ist.From the arithmetic mean of the shape factors R K of the grains, the mean grain shape factor R a (Cu) of the copper or copper alloy is obtained. For example, if a copper material contains a high proportion of elongated grains, then the average grain form factor of this copper will assume a relatively low value. On the other hand, the higher the proportion of round, circular grains, the more the average grain form factor approaches 1.0.
Bevorzugt ist der mittlere Korn-Formfaktor Ra(Cu) des Kupfers oder der Kupferlegierung ≥ 0,60, noch bevorzugter ≥ 0,80.Preferably, the mean grain shape factor R a (Cu) of the copper or copper alloy is ≥ 0.60, more preferably ≥ 0.80.
Geeignete Methoden, mit denen die Form der Körner im Kupfer, beispielsweise bereits in der Kupferausgangsfolie, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Kornform in einer Kupferfolie durch eine geeignete Verarbeitungstemperatur oder einen Walzprozess beeinflusst werden. Kupferausgangsfolien, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund der oben angegebene mittlere Korn-Formfaktor Ra(Cu) realisiert werden kann, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden.Suitable methods by which the shape of the grains in the copper, for example, already in the copper starting film can be adjusted, are known in the art. For example, the grain shape be influenced in a copper foil by a suitable processing temperature or a rolling process. Copper starting films, which can be used in the final copper-ceramic composite of the above mean grain shape factor R a (Cu) can be realized, are commercially available or can be obtained by standard methods.
Im Rahmen der Erfindung konnte ferner festgestellt werden, dass durch Auswahl weiterer Produktparameter Produkteigenschaften verbessert werden konnten.In the context of the invention it was also found that product properties could be improved by selecting further product parameters.
Bevorzugt liegen die Korngrößen des Kupfers oder der Kupferlegierung im Bereich von 10 μm bis 300 μm, noch bevorzugter im Bereich von 15 μm bis 250 μm oder im Bereich von 20 μm bis 210 μm. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind diese Werte nicht als strikte Unter- und Obergrenzen für die Korngrößenverteilung anzusehen, sondern können um +/–10% variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich jedoch um die Untergrenze, die nicht unterschritten wird, und die Obergrenze, die nicht überschritten wird, der Korngrößenverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung. In dieser bevorzugten Ausführungsform weist daher das Kupfer oder die Kupferlegierung keine Körner auf, die außerhalb der oben genannten Bereiche liegen. Es ist also bevorzugt, dass dmin(Cu) ≥ 10 μm und dmax(Cu) ≤ 300 μm, bevorzugter dmin(Cu) ≥ 15 μm und dmax(Cu) ≤ 250 μm, noch bevorzugter dmin(Cu) ≥ 20 μm und dmax(Cu) ≤ 210 μm, wobei dmin(Cu) und dmax(Cu) die minimalen bzw. maximalen Korngrößen des Kupfers sind.Preferably, the grain sizes of the copper or the copper alloy are in the range of 10 microns to 300 microns, more preferably in the range of 15 microns to 250 microns or in the range of 20 microns to 210 microns. In the context of the present invention, these values are not to be regarded as strict upper and lower limits for the particle size distribution, but may vary by +/- 10%. In a preferred embodiment, however, it is the lower limit, which is not exceeded, and the upper limit, which is not exceeded, the grain size distribution of the copper or copper alloy. In this preferred embodiment, therefore, the copper or copper alloy does not have grains that are outside the above ranges. It is thus preferable that d min (Cu) ≥ 10 μm and d max (Cu) ≤ 300 μm, more preferably d min (Cu) ≥ 15 μm and d max (Cu) ≤ 250 μm, more preferably d min (Cu) ≥ 20 μm and d max (Cu) ≤ 210 μm, where d min (Cu) and d max (Cu) are the minimum and maximum grain sizes of the copper, respectively.
Durch Verwendung einer Kupferausgangsfolie mit geeigneter Korngrößenverteilung können die gewünschten Korngrößen im Kupfer-Keramik-Verbund eingestellt werden. Solche Kupferfolien sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden. Eine Feineinstellung der Korngrößen kann gegebenenfalls durch eine thermische Behandlung der Ausgangsfolie erfolgen.By using a copper starting film with a suitable particle size distribution, the desired grain sizes in the copper-ceramic composite can be adjusted. Such copper foils are commercially available or can be obtained by standard methods. A fine adjustment of the particle sizes may optionally be effected by a thermal treatment of the starting film.
Wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist, kann die Bestimmung der Korngrößenverteilung unter Bezugnahme auf die Anzahl der Körner (d. h. Anzahlverteilung) oder alternativ auch unter Bezugnahme auf die Masse (d. h. Massenverteilung) oder das Volumen der Körner erfolgen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Verteilung der Korngrößen auf Basis der Körneranzahl bestimmt.As is well known to those skilled in the art, the determination of the grain size distribution may be made by reference to the number of grains (i.e., number distribution) or alternatively by reference to mass (i.e., mass distribution) or the volume of the grains. In the context of the present invention, the distribution of the grain sizes is determined on the basis of the number of grains.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen auf, in der höchstens 5% der Körner eine Korngröße von weniger als 15 μm, bevorzugt weniger als 20 μm, noch bevorzugter weniger als 25 μm aufweisen; und/oder in der mindestens 95% der Körner eine Korngröße von weniger als 250 μm, bevorzugt weniger als 230 μm, noch bevorzugter weniger als 200 μm aufweisen.In a preferred embodiment, the copper or copper alloy has a number distribution of grain sizes in which at most 5% of the grains have a grain size of less than 15 μm, preferably less than 20 μm, more preferably less than 25 μm; and / or in which at least 95% of the grains have a particle size of less than 250 μm, preferably less than 230 μm, more preferably less than 200 μm.
Wie allgemein bekannt ist, sind charakteristische Werte einer Korngrößenverteilung unter anderem deren d50-Wert, d5-Wert und d95-Wert. Für den d50-Wert, der häufig auch als Medianwert bezeichnet wird, gilt Folgendes: 50% der Körner weisen einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der d50-Wert. Analog gilt für den d5-Wert, dass 5% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d5-Wert, und für den d95-Wert gilt, dass 95% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d95-Wert. Der arithmetische Mittelwert darith einer Korngrößenverteilung ergibt sich aus der Summe der Korngrößen der einzelnen Körner dividiert durch die Körneranzahl.As is well known, characteristic values of a grain size distribution include its d 50 value, d 5 value and d 95 value. For the d 50 value, which is often referred to as the median value, 50% of the grains have a diameter smaller than the d 50 value. Similarly, for the d 5 value, 5% of the grains have a diameter smaller than this d 5 value, and for the d 95 value, 95% of the grains have a diameter smaller than this d 95 value. The arithmetic mean d arith of a grain size distribution results from the sum of the grain sizes of the individual grains divided by the number of grains.
Bevorzugt weist die Anzahlverteilung der Korngrößen des Kupfers oder der Kupferlegierung einen d95-Wert von ≤ 250 μm, bevorzugter im Bereich von 140 μm bis 250 μm, noch bevorzugter im Bereich von 140 μm bis 230 μm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 150 μm bis 200 μm auf. Der d5-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung ist bevorzugt ≥ 15 μm; bevorzugter liegt der d5-Wert im Bereich von 15 μm bis 80 μm, noch bevorzugter im Bereich von 20 μm bis 75 μm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 25 μm bis 70 μm.The number distribution of the grain sizes of the copper or the copper alloy preferably has a d 95 value of ≦ 250 μm, more preferably in the range of 140 μm to 250 μm, more preferably in the range of 140 μm to 230 μm, even more preferably in the range of 150 μm up to 200 μm. The d 5 value of the particle size distribution of the copper or the copper alloy is preferably ≥15 μm; more preferably, the d 5 value is in the range of 15 microns to 80 microns, more preferably in the range of 20 microns to 75 microns, even more preferably in the range of 25 microns to 70 microns.
Ein bevorzugter d50-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung liegt beispielsweise im Bereich von 55 μm bis 115 μm.A preferred d 50 value of the particle size distribution of the copper or copper alloy is, for example, in the range of 55 μm to 115 μm.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die d5-, d95- und d50-Werte der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung so gewählt werden, dass sie der folgenden Bedingung genügen:
Die Symmetrie einer Korngrößenverteilung kann über das Verhältnis von Medianwert d50 zu dem arithmetischen Mittelwert darith dieser Verteilung ausgedrückt werden (d. h. durch den Quotienten d50/darith; nachfolgend auch als Symmetriewert S bezeichnet). Je näher der Symmetriewert bei 1,0 liegt, desto symmetrischer ist die Korngrößenverteilung. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d50 und einem arithmetischen Mittelwert darith auf, wobei das Verhältnis von d50 zu darith (d. h. d50/darith) im Bereich von 0,75 bis 1,10, bevorzugter im Bereich von 0,78 bis 1,05, noch bevorzugter im Bereich von 0,80 bis 1,00 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der Temperaturwechselbeständigkeit und der Drahtbondingeigenschaften erzielt werden. Geeignete Methoden, mit denen die Symmetrie der Korngrößenverteilung im Kupfer, beispielsweise bereits in der Kupferausgangsfolie, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Symmetrie der Korngrößenverteilung in einer Kupferfolie durch eine geeignete Verarbeitungstemperatur oder einen Walzprozess beeinflusst werden. Kupferausgangsfolien, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund die oben angegebenen Symmetriewerte realisiert werden können, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden. The symmetry of a grain size distribution can be expressed by the ratio of median d 50 to the arithmetic mean d arith of that distribution (ie by the quotient d 50 / d arith , hereinafter also referred to as the symmetry value S). The closer the symmetry value is to 1.0, the more symmetrical the particle size distribution. In a preferred embodiment, the copper or copper alloy has a number distribution of grain sizes with a median d 50 and an arithmetic mean d arith , where the ratio of d 50 to d arith (ie d 50 / d arith ) is in the range of 0.75 to 1.10, more preferably in the range of 0.78 to 1.05, even more preferably in the range of 0.80 to 1.00. Thus, a further optimization of thermal shock resistance and Drahtbondingeigenschaften can be achieved. Suitable methods with which the symmetry of the particle size distribution in the copper, for example, already in the copper starting film, can be adjusted, are known in the art. For example, the symmetry of the grain size distribution in a copper foil can be influenced by a suitable processing temperature or a rolling process. Copper starting films, with which the symmetry values given above can be realized in the final copper-ceramic composite, are commercially available or can be obtained by standard methods.
Die Breite einer Korngrößenverteilung kann durch das Verhältnis von d5-Wert zu d95-Wert ausgedrückt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem d5-Wert und einem d95-Wert auf, wobei das Verhältnis von d5 zu d95 im Bereich von 0,1 bis 0,4, bevorzugter im Bereich von 0,11 bis 0,35, noch bevorzugter im Bereich von 0,12 bis 0,30 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der Temperaturwechselbeständigkeit, insbesondere auch in Kombination mit einer Verbesserung der Drahtbondingeigenschaften, erzielt werden.The width of a grain size distribution can be expressed by the ratio of d 5 value to d 95 value. In a preferred embodiment, the copper or copper alloy has a number distribution of grain sizes with a d 5 value and a d 95 value, the ratio of d 5 to d 95 being in the range of 0.1 to 0.4, more preferably Range of 0.11 to 0.35, more preferably in the range of 0.12 to 0.30. Thus, a further optimization of thermal shock resistance, in particular in combination with an improvement of Drahtbondingeigenschaften can be achieved.
Eine geeignete Dicke der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung in einem Kupfer-Keramik-Verbund ist dem Fachmann bekannt. Wie nachfolgend noch erläutert, kann an einigen Stellen der Beschichtung, insbesondere in Randbereichen, ein Teil des Kupfers oder der Kupferlegierung wieder abgetragen werden, beispielsweise zur Ausbildung von Randabschwächungen. Daher ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Dicke der Metallbeschichtung variiert. Üblicherweise weist die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung über mindestens 70% ihrer Fläche eine Dicke im Bereich von 0.2–1.2 mm auf. Beispielsweise ist es möglich, dass die Dicke etwa 300 μm beträgt.A suitable thickness of the coating of copper or a copper alloy in a copper-ceramic composite is known in the art. As explained below, at some points of the coating, in particular in edge regions, a portion of the copper or the copper alloy can be removed again, for example, to form edge attenuations. Therefore, it is possible within the scope of the present invention that the thickness of the metal coating varies. Typically, the coating of copper or a copper alloy has a thickness in the range of 0.2-1.2 mm over at least 70% of its area. For example, it is possible that the thickness is about 300 μm.
Bevorzugt sind die Dicke der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (DCu) und der Medianwert d50 der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung so ausgewählt, dass das Verhältnis DCu zu d50 im Bereich von 0.05 bis 0.40 liegt. Hierzu wird die Dicke DCu des Kupfers oder der Kupferlegierung an einer Stelle der Beschichtung bestimmt und durch den Medianwert d50 der Korngrößen-Anzahlverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung dividiert. Bevorzugt liegt das Verhältnis DCu/d50 über mindestens 70%, bevorzugter mindestens 90% der Fläche der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung im Bereich von 0,05 bis 0,40.Preferably, the thickness of the coating of copper or a copper alloy (D Cu ) and the median d 50 of the grain size number distribution of the copper or copper alloy are selected so that the ratio D Cu to d 50 is in the range of 0.05 to 0.40. For this purpose, the thickness D Cu of the copper or the copper alloy is determined at a point of the coating and divided by the median value d 50 of the particle size distribution of the copper or the copper alloy. Preferably, the ratio D Cu / d 50 is at least 70%, more preferably at least 90%, of the area of the coating of copper or a copper alloy in the range of 0.05 to 0.40.
Bevorzugt weist das Kupfer der Beschichtung eine Reinheit von ≥ 99,50%, bevorzugter ≥ 99,90%, noch bevorzugter ≥ 99,95% oder sogar ≥ 99,99% auf.The copper of the coating preferably has a purity of ≥ 99.50%, more preferably ≥ 99.90%, even more preferably ≥ 99.95% or even ≥ 99.99%.
Bevorzugt wird die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung über ein DCB-Verfahren auf das Keramiksubstrat aufgebracht. Wie bereits oben erläutert, kann ein übliches DCB-Verfahren beispielsweise folgende Verfahrensschritte aufweisen:
- – Oxidieren einer Kupferfolie, so dass sich an deren Oberfläche eine Kupferoxidschicht bildet;
- – Auflegen der Kupferfolie mit der Kupferoxidschicht auf das Keramiksubstrat;
- – Erhitzen des Verbundes auf eine Temperatur ≤ 1082°C (z. B. eine Temperatur im Bereich von 1065–1080°C),
- – Abkühlen auf Raumtemperatur.
- - Oxidizing a copper foil, so that forms a copper oxide layer on the surface thereof;
- - placing the copper foil with the copper oxide layer on the ceramic substrate;
- Heating the composite to a temperature ≤ 1082 ° C (eg a temperature in the range of 1065-1080 ° C),
- - Cool to room temperature.
Als Folge des DCB-Verfahrens können zwischen der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung und dem Keramiksubstrat Spinellkristallite vorliegen (z. B. Kupfer-Aluminium-Spinelle).As a result of the DCB process, spinel crystallites may be present between the coating of copper or a copper alloy and the ceramic substrate (eg, copper-aluminum spinels).
Die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung kann beispielsweise nur auf einer Seite des Keramiksubstrats angebracht sein. Alternativ ist es möglich, dass beide Seiten (d. h. Ober- und Unterseite) des Keramiksubstrats mit der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung versehen sind. Ein beispielhafter Kupfer-Keramik-Verbund, bei dem ein Keramiksubstrat 1 sowohl an seiner Unter- wie auch an seiner Oberseite eine Beschichtung 2 aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufweist, wird in
Zur Ausbildung elektrischer Kontaktflächen kann die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung zumindest teilweise eine Strukturierung aufweist. Die Strukturierung der Metallbeschichtung kann in bekannter Weise erfolgen, insbesondere über ein Ätzverfahren (beispielsweise unter Verwendung einer Ätzmaske).To form electrical contact surfaces, the coating of copper or a copper alloy may at least partially have a structuring. The structuring of the metal coating can take place in a known manner, in particular via an etching process (for example using an etching mask).
In dem Ätzverfahren kann das Kupfer oder die Kupferlegierung in Teilbereichen vollständig entfernt werden, so dass in diesen Teilbereichen die Oberfläche des Keramiksubstrats freigelegt ist. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung eine oder mehrere Vertiefungen (bevorzugt runde Vertiefungen) aufweist, die beispielsweise in dem Ätzverfahren dadurch erhalten werden, dass das Kupfer oder die Kupferlegierung in dem Bereich der anzubringenden Vertiefung nur teilweise entfernt und die Oberfläche des Keramiksubstrats in diesem Bereich daher noch mit Kupfer oder Kupferlegierung belegt ist. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, die Vertiefungen durch das Kupfer oder die Kupferlegierung hindurch bis auf die Keramikoberfläche frei zu ätzen. Hinsichtlich der möglichen Anordnung solcher Vertiefungen, bevorzugt im Randbereich der Beschichtungen aus Kupfer oder Kupferlegierung, kann beispielsweise auf
Geeignete Materialien für das Keramiksubstrat sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt enthält das Keramiksubstrat ein Oxid, ein Nitrid, ein Carbid, oder ein Gemisch oder Komposit aus mindestens zwei dieser Materialien. Das Keramiksubstrat kann nur aus einer Schicht oder alternativ aus mehreren Schichten bestehen.Suitable materials for the ceramic substrate are known to those skilled in the art. Preferably, the ceramic substrate contains an oxide, a nitride, a carbide, or a mixture or composite of at least two of these materials. The ceramic substrate can consist of only one layer or alternatively of several layers.
Als geeignete Oxide können beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3) oder BeO genannt werden. Sofern das Oxid ein Aluminiumoxid ist, kann dieses optional noch mit Zirkonoxid (ZrO2) verstärkt sein. Ein solches ZrO2-verstärktes Al2O3 enthält, bezogen auf seine Gesamtmasse, das Zirkonoxid üblicherweise in einem Anteil von 0,5–30 Gew%. Das Zirkonoxid wiederum kann optional mit einem oder mehreren Dotieroxid(en), insbesondere Yttriumoxid, Calciumoxid, Ceroxid oder Magnesiumoxid, dotiert sein, üblicherweise in einem Anteil von bis zu 0,01 Gew% oder sogar bis zu 5 Gew%, bezogen auf die Gesamtmasse Zirkonoxid und Aluminiumoxid.Examples of suitable oxides include alumina (Al 2 O 3 ) or BeO. If the oxide is an aluminum oxide, this may optionally be reinforced with zirconium oxide (ZrO 2 ). Such a ZrO 2 -reinforced Al 2 O 3 , based on its total mass, usually contains the zirconium oxide in a proportion of 0.5-30% by weight. The zirconium oxide, in turn, may optionally be doped with one or more doping oxide (s), in particular yttrium oxide, calcium oxide, cerium oxide or magnesium oxide, usually in an amount of up to 0.01% by weight or even up to 5% by weight, based on the total mass Zirconia and alumina.
Enthält das Keramiksubstrat ein Nitrid, so kann dieses beispielsweise ein Aluminiumnitrid, ein Siliziumnitrid oder ein Titannitrid sein. Beispielsweise kann das Keramiksubstrat ein mehrschichtiges Keramiksubstrat sein, das zumindest eine Schicht aus Aluminiumnitrid und zumindest eine Schicht aus Al2O3 enthält und wobei die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung auf der Schicht aus Al2O3 vorliegt.If the ceramic substrate contains a nitride, this may be, for example, an aluminum nitride, a silicon nitride or a titanium nitride. For example, the ceramic substrate may be a multilayer ceramic substrate containing at least one layer of aluminum nitride and at least one layer of Al 2 O 3 and wherein the coating of copper or a copper alloy is present on the layer of Al 2 O 3 .
Enthält das Keramiksubstrat ein Carbid, so kann dieses beispielsweise ein Siliziumcarbid sein.If the ceramic substrate contains a carbide, this may be, for example, a silicon carbide.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Keramiksubstrat Aluminiumoxid (Al2O3). Wie bereits oben erwähnt, kann es sich dabei um ein mit ZrO2 verstärktes Al2O3 handeln.In a preferred embodiment, the ceramic substrate contains alumina (Al 2 O 3 ). As already mentioned above, this may be an Al 2 O 3 reinforced with ZrO 2 .
Bevorzugt enthält das Keramiksubstrat mindestens 65 Gew% Al2O3. Sofern kein ZrO2 zur Verstärkung des Al2O3 vorliegt, kann das Keramiksubstrat beispielsweise zu mindestens 95 Gew%, bevorzugt 96 Gew% aus Al2O3 bestehen.The ceramic substrate preferably contains at least 65% by weight Al 2 O 3 . If no ZrO 2 is present for reinforcing the Al 2 O 3 , the ceramic substrate may for example consist of at least 95% by weight, preferably 96% by weight, of Al 2 O 3 .
Sofern ein mit ZrO2 verstärktes Aluminiumoxid verwendet wird (wobei das ZrO2, wie oben erwähnt, optional noch dotiert ist), kann das Keramiksubstrat beispielsweise zu mindestens 96 Gew%, bevorzugter mindestens 98 Gew% aus diesem ZrO2-verstärkten Al2O3 bestehen.If a ZrO 2 -reinforced aluminum oxide is used (ZrO 2 optionally being doped as mentioned above), for example, the ceramic substrate may be at least 96% by weight, more preferably at least 98% by weight, of this ZrO 2 -reinforced Al 2 O 3 consist.
Bevorzugt liegen die Korngrößen des Aluminiumoxids im Bereich von 0,01 μm bis 25 μm, bevorzugter im Bereich von 0,3 μm bis 23 μm, noch bevorzugter im Bereich von 0,5 μm bis 20 μm. Mit Korngrößen in diesen Bereich weist das Keramiksubstrat des Kupfer-Keramik-Verbunds sowohl eine hohe mechanische Festigkeit als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind diese Werte nicht als strikte Unter- und Obergrenzen für die Korngrößenverteilung anzusehen, sondern können um +/–10% variieren. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich jedoch um die Untergrenze, die nicht unterschritten wird, und Obergrenzen, die nicht überschritten wird, der Korngrößenverteilung des Aluminiumoxids. In dieser bevorzugten Ausführungsform weist daher das Aluminiumoxid keine Körner auf, die außerhalb der oben genannten Bereiche liegen. Es ist also bevorzugt, dass dmin(Al2O3) ≥ 0,01 μm und dmax(Al2O3) ≤ 25 μm, bevorzugter dmin(Al2O3) ≥ 0,3 μm und dmax(Al2O3) ≤ 23 μm, noch bevorzugter dmin(Al2O3) ≥ 0,5 μm und dmax(Al2O3) ≤ 20 μm, wobei dmin(Al2O3) und dmax(Al2O3) die minimalen bzw. maximalen Korngrößen des Aluminiumoxids sind.The particle sizes of the aluminum oxide are preferably in the range from 0.01 μm to 25 μm, more preferably in the range from 0.3 μm to 23 μm, even more preferably in the range from 0.5 μm to 20 μm. With grain sizes in this range, the ceramic substrate of the copper-ceramic composite has both high mechanical strength and high thermal conductivity. In the context of the present invention, these values are not to be regarded as strict upper and lower limits for the particle size distribution, but may vary by +/- 10%. In a preferred embodiment, however, it is the lower limit, which is not exceeded, and upper limits, which is not exceeded, the grain size distribution of the alumina. In this preferred embodiment, therefore, the alumina has no grains which are outside the above ranges. It is therefore preferred that d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0.01 μm and d max (Al 2 O 3 ) ≦ 25 μm, more preferably d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0.3 μm and d max ( Al 2 O 3 ) ≤ 23 μm, more preferably d min (Al 2 O 3 ) ≥ 0.5 μm and d max (Al 2 O 3 ) ≤ 20 μm, where d min (Al 2 O 3 ) and d max ( Al 2 O 3 ) are the minimum and maximum grain sizes of the alumina.
Durch Verwendung eines Keramik-Ausgangsmaterials mit geeigneter Al2O3-Korngrößenverteilung können die gewünschten Al2O3-Korngrößen im Kupfer-Keramik-Verbund eingestellt werden. Solche Keramikmaterialien sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden. Eine Feineinstellung der Korngrößen kann gegebenenfalls durch eine thermische Behandlung des Keramik-Ausgangsmaterials erfolgen. By using a ceramic starting material with suitable Al 2 O 3 grain size distribution, the desired Al 2 O 3 grain sizes can be set in the copper-ceramic composite. Such ceramics are commercially available or can be obtained by standard methods. A fine adjustment of the grain sizes can optionally be done by a thermal treatment of the ceramic starting material.
Wie oben bereits erwähnt, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verteilung der Korngrößen auf Basis der Körneranzahl bestimmt (d. h. Korngrößen-Anzahlverteilung).As mentioned above, in the present invention, the distribution of grain sizes is determined based on the number of grains (i.e., grain size-number distribution).
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aluminiumoxid des Keramiksubstrats eine Anzahlverteilung der Korngrößen auf, in der höchstens 5% der Körner eine Korngröße von weniger als 0,1 μm, bevorzugter weniger als 0,3 μm, noch bevorzugter weniger als 0,5 μm aufweisen; und/oder in der mindestens 95% der Körner eine Korngröße von weniger als 15 μm, bevorzugter weniger als 10 μm, noch bevorzugter weniger als 7 μm aufweisen.In a preferred embodiment, the alumina of the ceramic substrate has a number distribution of grain sizes in which at most 5% of the grains have a grain size of less than 0.1 μm, more preferably less than 0.3 μm, even more preferably less than 0.5 μm; and / or in which at least 95% of the grains have a particle size of less than 15 μm, more preferably less than 10 μm, even more preferably less than 7 μm.
Eine Verbesserung bzw. Optimierung der mechanischen Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats in dem Metall-Keramik-Verbund kann erzielt werden, wenn die d5- und d95-Werte der Korngrößenverteilung des Al2O3 bestimmten Anforderungen genügen.An improvement or optimization of the mechanical strength and the thermal conductivity of the ceramic substrate in the metal-ceramic composite can be achieved if the d 5 and d 95 values of the grain size distribution of Al 2 O 3 meet certain requirements.
Bevorzugt weist die Anzahlverteilung der Korngrößen des Aluminiumoxids einen d95-Wert von ≤ 15,0 μm, bevorzugter im Bereich von 4,0 μm bis 15,0 μm, noch bevorzugter im Bereich von 4,5 μm bis 10,0 μm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 5,0 μm bis 8,0 μm aufweist. Der d5-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids ist bevorzugt ≥ 0,1 μm; bevorzugter liegt der d5-Wert im Bereich von 0,1 μm bis 2,5 μm, noch bevorzugter im Bereich von 0,3 μm bis 2,5 μm, noch weiter bevorzugt im Bereich von 0,5 μm bis 2,0 μm. Damit kann eine weitere Optimierung der mechanischen Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats in dem Metall-Keramik-Verbund erzielt werden.Preferably, the number distribution of the grain sizes of the alumina has a d 95 value of ≦ 15.0 μm, more preferably in the range of 4.0 μm to 15.0 μm, still more preferably in the range of 4.5 μm to 10.0 μm more preferably in the range of 5.0 microns to 8.0 microns. The d 5 value of the particle size distribution of the alumina is preferably ≥ 0.1 μm; more preferably, the d 5 value is in the range of 0.1 μm to 2.5 μm, more preferably in the range of 0.3 μm to 2.5 μm, still more preferably in the range of 0.5 μm to 2.0 μm , Thus, a further optimization of the mechanical strength and the thermal conductivity of the ceramic substrate in the metal-ceramic composite can be achieved.
Ein bevorzugter d50-Wert der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids liegt beispielsweise im Bereich von 1,0 μm bis 3,0 μm.A preferred d 50 value of the particle size distribution of the aluminum oxide is, for example, in the range from 1.0 μm to 3.0 μm.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, dass die d5-, d95- und d50-Werte der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids so gewählt werden, dass sie der folgenden Bedingung genügen:
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aluminiumoxid eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d50 und einem arithmetischen Mittelwert darith auf, wobei das Verhältnis von d50 zu darith (d. h. d50/darith; nachfolgend auch als Symmetriewert S(Al2O3) der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids bezeichnet)) im Bereich von 0,75 bis 1,10, bevorzugter im Bereich von 0,78 bis 1,05, noch bevorzugter im Bereich von 0,80 bis 1,00 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der mechanischen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats im Metall-Keramik-Verbund erzielt werden.In a preferred embodiment, the alumina has a number distribution of grain sizes with a median d 50 and an arithmetic mean d arith , the ratio of d 50 to d arith (ie d 50 / darith, hereinafter also referred to as symmetry value S (Al 2 O 3 ) is in the range of 0.75 to 1.10, more preferably in the range of 0.78 to 1.05, still more preferably in the range of 0.80 to 1.00. Thus, a further optimization of the mechanical strength and thermal conductivity of the ceramic substrate in the metal-ceramic composite can be achieved.
Geeignete Methoden, mit denen die Symmetrie der Korngrößenverteilung im Aluminiumoxid, beispielsweise bereits bei der Herstellung des Ausgangssubstrats, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Symmetrie der Korngrößenverteilung durch Sinterdauer und Sintertemperatur bei der Herstellung des Ausgangssubstrats beeinflusst werden. Al2O3-Substrate, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund die oben angegebenen Symmetriewerte realisiert werden können, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden.Suitable methods by means of which the symmetry of the particle size distribution in the aluminum oxide, for example already during the preparation of the starting substrate, can be set, are known to the person skilled in the art. For example, the symmetry of the particle size distribution can be influenced by sintering time and sintering temperature in the production of the starting substrate. Al 2 O 3 substrates, with which the above symmetry values can be realized in the final copper-ceramic composite, are commercially available or can be obtained by standard methods.
Die Breite der Korngrößenverteilung kann durch das Verhältnis von d5-Wert zu d95-Wert ausgedrückt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aluminiumoxid eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem d5-Wert und einem d95-Wert auf, wobei das Verhältnis von d5 zu d95 im Bereich von 0,1 bis 0,4, bevorzugter im Bereich von 0,11 bis 0,35, noch bevorzugter im Bereich von 0,12 bis 0,30 liegt. Damit kann eine weitere Optimierung der mechanischen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats im Metall-Keramik-Verbund erzielt werden.The width of the particle size distribution can be expressed by the ratio of d 5 value to d 95 value. In a preferred embodiment, the alumina has a number distribution of grain sizes with a d 5 value and a d 95 value, the ratio of d 5 to d 95 being in the range of 0.1 to 0.4, more preferably in the range of 0 , 11 to 0.35, more preferably in the range of 0.12 to 0.30. Thus, a further optimization of the mechanical strength and thermal conductivity of the ceramic substrate in the metal-ceramic composite can be achieved.
Bevorzugt ist der mittlere Korn-Formfaktor Ra(Al2O3) des Aluminiumoxids ≥ 0,40, bevorzugter ≥ 0,60, noch bevorzugter ≥ 0,80. Wie oben bereits erläutert, lässt sich die Form eines individuellen Korns über seinen Formfaktor RK ausdrücken, der das Verhältnis des maximalen Korndurchmessers dK,max zu dem senkrecht zu dK,max verlaufenden Korndurchmesser dK,ortho, bestimmt auf halber Länge von dK,max, ist (d. h. RK = dK,ortho/dK,max). Aus dem arithmetischen Mittelwert der Formfaktoren RK der Körner erhält man den mittleren Korn-Formfaktor Ra(Al2O3) des Aluminiumoxids. Geeignete Methoden, mit denen die Form der Aluminiumoxidkörner, beispielsweise bereits bei der Herstellung des Ausgangssubstrats, eingestellt werden können, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die Form der Al2O3-Körner durch Sinterdauer und Sintertemperatur bei der Herstellung des Ausgangssubstrats beeinflusst werden. Al2O3-Substrate, mit denen im finalen Kupfer-Keramik-Verbund der oben angegebene Korn-Formfaktor Ra(Al2O3) realisiert werden kann, sind kommerziell erhältlich oder können über Standardverfahren erhalten werden.Preferably, the mean grain shape factor R a (Al 2 O 3 ) of the alumina is ≥ 0.40, more preferably 0,6 0.60, even more preferably ≥ 0.80. As explained above, the shape of an individual grain can be expressed by its shape factor R K , which is the ratio of the maximum grain diameter d K, max to that perpendicular to d K, max extending grain diameter d K, ortho , determined at half the length of d K, max , (ie, R K = d K, ortho / d K, max ). From the arithmetic mean of the shape factors R K of the grains, the mean grain shape factor R a (Al 2 O 3 ) of the aluminum oxide is obtained. Suitable methods by which the shape of the aluminum oxide grains can be adjusted, for example, already in the preparation of the starting substrate, are known to the person skilled in the art. For example, the shape of the Al 2 O 3 grains may be affected by sintering time and sintering temperature in the preparation of the starting substrate. Al 2 O 3 substrates, with which the above-mentioned grain form factor R a (Al 2 O 3 ) can be realized in the final copper-ceramic composite, are commercially available or can be obtained by standard methods.
Eine geeignete Dicke des Keramiksubstrats in einem Kupfer-Keramik-Verbund ist dem Fachmann bekannt. Üblicherweise weist das Keramiksubstrat über mindestens 70% seiner Fläche, bevorzugter mindestens 90% seiner Fläche eine Dicke im Bereich von 0.2–1.2 mm auf. Eine Dicke des Keramiksubstrates ist beispielsweise etwa 0,38 mm oder etwa 0,63 mm.A suitable thickness of the ceramic substrate in a copper-ceramic composite is known to those skilled in the art. Typically, the ceramic substrate has a thickness in the range of 0.2-1.2 mm over at least 70% of its area, more preferably at least 90% of its area. A thickness of the ceramic substrate is, for example, about 0.38 mm or about 0.63 mm.
Bevorzugt sind die Dicke des Keramiksubstrats (Dcer) und der Medianwert d50 der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids im Keramiksubstrat so ausgewählt, dass das Verhältnis Dcer zu d50 (d. h. Dcer/d50) im Bereich von 0,001 bis 0,01, bevorzugter im Bereich von 0,002 bis 0,009, noch bevorzugter im Bereich von 0,004 bis 0,008 liegt. Hierzu wird die Dicke Dcer des Keramiksubstrats an einer Stelle bestimmt und durch den Medianwert d50 der Korngrößen-Anzahlverteilung des Aluminiumoxids dividiert. Bevorzugt liegt das Verhältnis Dcer/d50 über mindestens 70%, bevorzugter mindestens 90% der Fläche des Keramiksubstrats im Bereich von 0,05 bis 0,40.Preferably, the thickness of the ceramic substrate (D cer ) and the median d 50 of the grain size number distribution of the alumina in the ceramic substrate are selected such that the ratio D cer to d 50 (ie D cer / d 50 ) ranges from 0.001 to 0.01 , more preferably in the range of 0.002 to 0.009, more preferably in the range of 0.004 to 0.008. For this purpose, the thickness D cer of the ceramic substrate is determined at one point and divided by the median d 50 of the particle size distribution of the alumina. Preferably, the ratio D cer / d 50 is at least 70%, more preferably at least 90%, of the area of the ceramic substrate in the range of 0.05 to 0.40.
Das Keramiksubstrat kann beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von ≥ 20 W/mK, und/oder eine Biegebruchfestigkeit von ≥ 400 MPa aufweisen.The ceramic substrate may for example have a thermal conductivity of ≥ 20 W / mK, and / or a bending strength of ≥ 400 MPa.
Das Keramiksubstrat kann in Form eines Einzelsubstrats vorliegen. Alternativ ist es auch möglich, dass das Keramiksubstrat eine oder mehrere (bevorzugt geradlinig verlaufende) Sollbruchlinien aufweist, die das Keramiksubstrat in zwei oder mehr Bereiche unterteilen und zumindest in einem dieser Bereiche die Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung aufgebracht ist. Hinsichtlich des Aufbaus eines solchen Mehrfachsubstrats mit Sollbruchlinien kann beispielhaft auf
Geeignete Abmessungen (Länge × Breite) des Keramiksubstrats (entweder als Einzelsubstrat oder auch als Mehrfachsubstrat) in einem Metall-Keramik-Verbund sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann das Keramiksubstrat eine Abmessung, Länge × Breite, von (180–200 mm) × (130–150 mm) oder (180–200 mm) × (270–290 mm) aufweisen. Auch kleinere Abmessungen, beispielsweise (8–12 mm) × (8–12 mm), sind möglich.Suitable dimensions (length × width) of the ceramic substrate (either as a single substrate or as a multiple substrate) in a metal-ceramic composite are known to the person skilled in the art. For example, the ceramic substrate may have a dimension, length × width, of (180-200 mm) × (130-150 mm) or (180-200 mm) × (270-290 mm). Even smaller dimensions, for example (8-12 mm) × (8-12 mm), are possible.
Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Kupfer-Keramik-Verbunds kann realisiert werden, wenn die Korneigenschaften des Kupfers oder der Kupferlegierung und die Korneigenschaften des Aluminiumoxids im Keramiksubstrat aufeinander abgestimmt werden.Further improvement in the properties of the copper-ceramic composite can be realized by matching the grain properties of the copper or copper alloy and the grain properties of the aluminum oxide in the ceramic substrate.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis von d50(Al2O3) zu d50(Cu) im Bereich von 0,008 bis 0,055, bevorzugter im Bereich von 0,010 bis 0,045. Damit kann eine weitere Optimierung der Metall-Keramik-Adhäsion und der Temperaturwechselbeständigkeit in dem Metall-Keramik-Verbund erzielt werden.In a preferred embodiment, the ratio of d 50 (Al 2 O 3 ) to d 50 (Cu) is in the range of 0.008 to 0.055, more preferably in the range of 0.010 to 0.045. Thus, a further optimization of the metal-ceramic adhesion and thermal shock resistance in the metal-ceramic composite can be achieved.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kupfer oder die Kupferlegierung eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d50, einem arithmetischen Mittelwert darith und einem Symmetriewert S(Cu) = d50/darith auf, das Aluminiumoxid weist eine Anzahlverteilung der Korngrößen mit einem Medianwert d50, einem arithmetischen Mittelwert darith und einem Symmetriewert S(Al2O3) = d50/darith auf, wobei S(Al2O3) und S(Cu) der folgenden Bedingung genügen:
Bevorzugter genügen S(Al2O3) und S(Cu) der folgenden Bedingung:
Damit lässt sich die Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds verbessern. This can improve the thermal shock resistance of the copper-ceramic composite.
In einer bevorzugten Ausführungsform genügen der mittlere Korn-Formfaktor des Aluminiumoxids Ra(Al2O3) und der mittlere Korn-Formfaktor des Kupfers oder der Kupferlegierung Ra(Cu) der folgenden Bedingung: 0,5 ≤ Ra(Al2O3)/Ra(Cu) ≤ 2,0.In a preferred embodiment, the average grain shape factor of the alumina R a (Al 2 O 3 ) and the mean grain shape factor of the copper or copper alloy R a (Cu) satisfy the following condition: 0.5 ≤ R a (Al 2 O 3 ) / R a (Cu) ≤ 2.0.
Noch bevorzugter gilt
Damit kann eine weitere Optimierung der Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Verbunds realisiert werden.Thus, a further optimization of the thermal shock resistance of the copper-ceramic composite can be realized.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Aluminiumoxid Korngrößen im Bereich von dmin(Al2O3) bis dmax(Al2O3) auf, das Kupfer oder die Kupferlegierung weist Korngrößen im Bereich von dmin(Cu) bis dmax(Cu) auf, und die Verhältnisse von dmin(Al2O3) zu dmax(Cu) und von dmax(Al2O3) zu dmin(Cu) genügen folgenden Bedingungen (i) und (ii):
- (i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 1 × 10–5 und
- (ii) 2,5 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu).
- (i) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≥ 1 × 10 -5 and
- (ii) 2.5 ≥ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu).
Noch bevorzugter genügen die Verhältnisse von dmin(Al2O3) zu dmax(Cu) und von dmax(Al2O3) zu dmin(Cu) folgenden Bedingungen (i) und (ii):
- (i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 0,001 und
- (ii) 1,5 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu);
- (i) dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 0,002 und
- (ii) 1,0 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu).
- (i) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≥ 0.001 and
- (ii) 1.5 ≥ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu);
- (i) d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≥0.002 and
- (ii) 1.0 ≥ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind
- (i) 0,005 ≥ dmin(Al2O3)/dmax(Cu) ≥ 0,002 und
- (ii) 1,0 ≥ dmax(Al2O3)/dmin(Cu) ≥ 0,05.
- (i) 0.005 ≥ d min (Al 2 O 3 ) / d max (Cu) ≥ 0.002 and
- (ii) 1.0 ≥ d max (Al 2 O 3 ) / d min (Cu) ≥ 0.05.
Damit kann zwischen der Metallbeschichtung und dem Keramiksubstrat eine feste Bindung realisiert werden kann, die auch unter häufigeren Temperaturwechselbelastungen Bestand hält. Wie oben bereits erwähnt, ist bevorzugt, dass dmin(Cu) ≥ 10 μm und dmax(Cu) ≤ 300 μm, bevorzugter dmin(Cu) ≥ 15 μm und dmax(Cu) ≤ 250 μm, noch bevorzugter dmin(Cu) ≥ 20 μm und dmax(Cu) ≥ 210 μm, wobei dmin(Cu) und dmax(Cu) die minimalen bzw. maximalen Korngrößen des Kupfers sind.Thus, a firm bond can be realized between the metal coating and the ceramic substrate, which holds even under more frequent thermal cycling loads. As mentioned above, it is preferable that d min (Cu) ≥ 10 μm and d max (Cu) ≤ 300 μm, more preferably d min (Cu) ≥ 15 μm and d max (Cu) ≤ 250 μm, more preferably d min (Cu) ≥ 20 μm and d max (Cu) ≥ 210 μm, where d min (Cu) and d max (Cu) are the minimum and maximum grain sizes of the copper, respectively.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Modul, enthaltend zumindest einen Kupfer-Keramik-Verbund gemäß der obigen Beschreibung und einen oder mehrere Bonddrähte. Üblicherweise sind der Bonddraht oder die Bonddrähte mit der Beschichtung aus Kupfer oder Kupferlegierung verbunden. Geeignete Bondingverfahren zum Verbinden von Drähten mit einer Metallbeschichtung sind dem Fachmann bekannt. Das Modul kann außerdem ein oder mehrere elektronische Bauteile wie z. B. einen oder mehrere Chips enthalten.Furthermore, the present invention relates to a module comprising at least one copper-ceramic composite according to the above description and one or more bonding wires. Typically, the bonding wire or wires are bonded to the copper or copper alloy coating. Suitable bonding methods for bonding wires to a metal coating are known to those skilled in the art. The module may also include one or more electronic components such. B. contain one or more chips.
Die Kornstrukturen des Kupfers bzw. der Kupferlegierung sowie des Aluminiumoxids des Keramiksubstrats werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgendermaßen bestimmt: Korngrößenverteilung des Kupfers oder der Kupferlegierung Von der Oberfläche der Beschichtung aus Kupfer oder einer Kupferlegierung (parallel zur beschichteten Substratoberfläche) wird eine lichtmikroskopische Aufnahme gemacht. Eine spezielle Probenpräparation in Form eines Schliffbildes ist nicht erforderlich.The grain structures of the copper or of the copper alloy and of the aluminum oxide of the ceramic substrate are determined in the context of the present invention as follows: Grain size distribution of copper or copper alloy A light micrograph is taken of the surface of the copper or copper alloy coating (parallel to the coated substrate surface). A special sample preparation in the form of a microsection is not required.
Die Korngrößen werden über ein Linienschnittverfahren bestimmt. Linienschnittverfahren sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in
Die Vergrößerung wird so gewählt, dass durch das Linienraster mindestens 50 Körner geschnitten werden.The magnification is chosen so that the line grid cuts at least 50 grains.
In der vorliegenden Erfindung wurden jeweils 2 parallele Linien in x-Richtung und zwei parallele Linien in y-Richtung in die lichtmikroskopische Aufnahme gelegt. Die Linien unterteilen die Aufnahme jeweils in drei gleichmäßig breite Streifen. Dies ist in
Aus den Korngrößen der geschnittenen Körner ergibt sich eine Korngrößenverteilung, aus der wiederum die d5-, d50- und d95-Werte sowie der arimethische Mittelwert darith bestimmt werden können. Wie oben bereits erläutert und dem Fachmann allgemein bekannt ist, gilt für den d50-Wert, der häufig auch als Medianwert bezeichnet wird, Folgendes: 50% der Körner weisen einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der d50-Wert. Analog gilt für den d5-Wert, dass 5% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d5-Wert, und für den d95-Wert gilt, dass 95% der Körner einen Durchmesser aufweisen, der kleiner ist als dieser d95-Wert.From the grain sizes of the cut grains results in a particle size distribution, from which in turn the d 5 , d 50 and d 95 values and the arimethical mean d arith can be determined. As already explained above and generally known to the person skilled in the art, for the d 50 value, which is frequently also referred to as median value, the following applies: 50% of the grains have a diameter which is smaller than the d 50 value. Similarly, for the d 5 value, 5% of the grains have a diameter smaller than this d 5 value, and for the d 95 value, 95% of the grains have a diameter smaller than this d 95 value.
Der arithmetische Mittelwert der Korngrößenverteilung ergibt sich aus der Summe der Korngrößen der einzelnen Körner dividiert durch die Anzahl der geschnittenen Körner.The arithmetic mean of the particle size distribution results from the sum of the grain sizes of the individual grains divided by the number of cut grains.
Korngrößenverteilung des Aluminiumoxids des KeramiksubstratsGrain size distribution of the alumina of the ceramic substrate
Von der Oberfläche des Keramiksubstrats wird eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (REM-Aufnahme) gemacht. Eine spezielle Probenpräparation in Form eines Schliffbildes ist nicht erforderlich. Die REM-Aufnahme wird an einer Stelle des Keramiksubstrats gemacht, die zuvor mit Kupfer belegt war und durch Ätzen freigelegt wurde.From the surface of the ceramic substrate, a scanning electron micrograph (SEM image) is taken. A special sample preparation in the form of a microsection is not required. The SEM photograph is taken at a location of the ceramic substrate that was previously copper-plated and exposed by etching.
Die Korngrößen werden über ein Linienschnittverfahren bestimmt. Linienschnittverfahren sind dem Fachmann bekannt und werden beispielsweise in
Die Vergrößerung wird so gewählt, dass durch das Linienraster mindestens 50 Al2O3-Körner geschnitten werden. Sofern das Keramiksubstrat noch Körner anderer chemischer Zusammensetzung, beispielsweise ZrO2-Körner, enthält, lassen sich diese in der REM-Aufnahme mit Hilfe von Sekundärelektronenkontrast gut von den Al2O3-Körnern unterscheiden und werden somit nicht in die weiterfolgenden Berechnungen einbezogen.The magnification is chosen so that the line grid cuts at least 50 Al 2 O 3 grains. If the ceramic substrate still contains grains of a different chemical composition, for example ZrO 2 grains, these can be distinguished well from the Al 2 O 3 grains in the SEM image with the aid of secondary electron contrast and are therefore not included in the subsequent calculations.
Hinsichtlich der weiteren Auswertung über das Linienschnittverfahren kann auf die oben bei der Kupferbeschichtung gemachten Ausführungen verwiesen werden.With regard to the further evaluation via the line cutting method, reference may be made to the statements made above in the copper coating.
Sowohl die Korngrößen des Kupfers bzw. der Kupferlegierung wie auch die Korngrößen des Al2O3 werden also in einer Ebene bestimmt, die parallel zur beschichteten Substratoberfläche verläuft oder koplanar mit dieser ist.Both the grain sizes of the copper or the copper alloy and the grain sizes of the Al 2 O 3 are thus determined in a plane which is parallel to the coated substrate surface or coplanar with this.
Formfaktor einzelner Körner, mittlerer Korn-FormfaktorForm factor of individual grains, mean grain form factor
Kupfer, KupferlegierungCopper, copper alloy
Es wird die lichtmikroskopische Aufnahme herangezogen, die auch bei der Bestimmung der Korngrößenverteilung verwendet wurde.The light micrograph was used, which was also used in the determination of the particle size distribution.
Für die Bestimmung des Formfaktors eines individuellen Korns wird folgendermaßen vorgegangen:
Es wird dessen längste Abmessung dK,max bestimmt. Anschließend wird auf halber Länge von dK,max der senkrecht zu dK,max verlaufende Durchmesser dK,ortho des Korns bestimmt. Der Formfaktor des individuellen Korns RK ergibt sich aus dem Verhältnis von dK,ortho zu dK,max, d. h. RK = dK,ortho/dK,max. Je mehr sich die Form eines Korns in seiner zweidimensionalen Projektion derjenigen eines Kreises annähert, desto mehr nähert sich der Formfaktor des Korns dem Wert 1,0 an. Der Formfaktor ist daher auch ein Maß für die Kreisförmigkeit/Rundheit der Körner. Siehe auch
Its longest dimension d K, max is determined. Subsequently, at half the length of d K, max the diameter d K, ortho of the grain running perpendicular to d K, max is determined. The form factor of the individual grain R K results from the ratio of d K, ortho to d K, max , ie R K = d K, ortho / d K, max . The more the shape of a grain in its two-dimensional projection approaches that of a circle, the more the form factor of the grain approaches 1.0. The form factor is therefore also a measure of the circularity / roundness of the grains. See also
Der Formfaktor wird für mindestens 50 Körner der lichtmikroskopischen Aufnahme bestimmt. Es werden üblicherweise die Körner ausgewertet, die auch im Linienschnittverfahren von den Linien geschnitten wurden.The form factor is determined for at least 50 grains of the light micrograph. Usually, the grains are evaluated, which were also cut in line intersection of the lines.
Der mittlere Korn-Formfaktor des Kupfers oder der Kupferlegierung ergibt sich dann aus dem arithmetischen Mittelwert der Formfaktoren der individuellen Körner (d. h. Summe der individuellen Formfaktoren dividiert durch die Anzahl der untersuchten Körner). The mean grain form factor of the copper or copper alloy then results from the arithmetic mean of the shape factors of the individual grains (ie sum of the individual shape factors divided by the number of grains examined).
Aluminiumoxidalumina
Es wird die REM-Aufnahme herangezogen, die auch bei der Bestimmung der Korngrößenverteilung verwendet wurde.The SEM image is used, which was also used to determine the particle size distribution.
Hinsichtlich der Bestimmung des Formfaktors individueller Körner sowie des mittleren Korn-Formfaktors des Al2O3 kann auf die oben beim Kupfer gemachten Ausführungen verwiesen werden.With regard to the determination of the shape factor of individual grains and the mean grain shape factor of Al 2 O 3 , reference may be made to the statements made above for the copper.
Sowohl die Korn-Formfaktoren des Kupfers bzw. der Kupferlegierung wie auch die Korn-Formfaktoren des Al2O3 werden also in einer Ebene bestimmt, die parallel zur beschichteten Substratoberfläche verläuft oder koplanar mit dieser ist.Both the grain shape factors of the copper and the copper alloy, as well as the grain shape factors of the Al 2 O 3 are thus determined in a plane which is parallel to the coplanar substrate surface or is coplanar with this.
Nachfolgend wird ein Bonding-Verfahren beschrieben, welches zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kupfer-Keramik-Substrate bevorzugt verwendet wird.Hereinafter, a bonding method which is preferably used for producing the copper-ceramic substrates of the present invention will be described.
Ein typischer Verfahrensprozess, der im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt für das Aufbringen der Kupferbeschichtung auf das Keramiksubstrat verwendet wird, ist beispielsweise aus den Druckschriften
Diesen dort offenbarten Herstellungsverfahren ist beispielsweise im Rahmen des Direct-Copper-Bonding-Prozesses (DCB-Prozess) gemeinsam, dass eine Kupferfolie zunächst derartig oxidiert wird, dass sich eine im Wesentlichen gleichmäßige Kupferoxidschicht ergibt. Die resultierende Kupferfolie wird dann auf ein Keramik-Substrat positioniert und der Verbund aus Keramik-Substrat und Kupferfolie wird auf eine Prozess- bzw. Bondtemperatur zwischen etwa 1025 und 1083°C erwärmt, wodurch es zu der Ausbildung eines metallisierten Keramik-Substrats kommt. Die Kupferfolie stellt nach dem Bonden somit eine Beschichtung dar. Abschließend wird das resultierende metallisierte Keramik-Substrat abgekühlt.For example, in the context of the direct copper bonding process (DCB process), this production method disclosed there is common in that a copper foil is first oxidized in such a way that a substantially uniform copper oxide layer results. The resulting copper foil is then positioned on a ceramic substrate and the ceramic substrate / copper foil composite is heated to a bonding temperature between about 1025-1083 ° C, thereby forming a metallized ceramic substrate. The copper foil thus forms a coating after bonding. Finally, the resulting metallized ceramic substrate is cooled.
Das Verbinden von Keramik-Substrat und Kupferfolie erfolgt in einem Ofen, wobei im Allgemeinen sogenannte Bondöfen eingesetzt werden. Entsprechende Bondöfen, häufig auch als Tunnelöfen bezeichnet, umfassen unter anderem einen langgestreckten tunnelartigen Ofenraum (auch Muffel genannt) sowie eine Transportvorrichtung mit einem Transportelement beispielsweise in Form eines flexiblen und hitzebeständigen Transportbandes zum Transportieren des Behandlungsgutes durch den mit einer Heizeinrichtung beheizten Ofenraum. Die Keramik-Substrate werden zusammen mit der Kupferfolie auf einen Träger auf dem Transportband positioniert und durchlaufen anschließend in dem Bondofen durch das Transportband angetrieben einen Heizbereich, in welchem die erforderliche Bondtemperatur erreicht wird. Am Ende des Bondprozesses wird der resultierende Verbund aus Keramik-Substrat und Kupferfolie gemäß der Erfindung wieder abgekühlt.The bonding of ceramic substrate and copper foil takes place in an oven, so-called bonding furnaces generally being used. Corresponding bonding ovens, often referred to as tunnel ovens include, inter alia, an elongated tunnel-like furnace chamber (also called muffle) and a transport device with a transport element, for example in the form of a flexible and heat-resistant conveyor belt for transporting the material to be treated by the heated furnace with a heater chamber. The ceramic substrates are positioned together with the copper foil on a carrier on the conveyor belt and then passed through in the bonding oven by the conveyor belt driven a heating area in which the required bonding temperature is reached. At the end of the bonding process, the resulting ceramic substrate / copper foil composite is recooled according to the invention.
Dieses Verfahren kann grundsätzlich zur Herstellung von einseitig metallisierten Keramik-Substraten sowie auch zur Herstellung von doppelseitig metallisierten Substraten angewendet werden. Dabei erfolgt die Herstellung von doppelseitig metallisierten Substraten in der Regel über einen zweistufigen Bondprozess, d. h. mittels eines zweistufigen Single-Layer-Prozesses (SLB-Verfahren). Im Rahmen der Erfindung wird bevorzugt ein zweistufiger Bondprozess verwendet.This method can be used in principle for the production of single-sidedly metallized ceramic substrates as well as for the production of double-sided metallized substrates. In this case, the production of double-sided metallized substrates usually takes place via a two-stage bonding process, ie. H. using a two-stage single-layer process (SLB method). In the context of the invention, a two-stage bonding process is preferably used.
Bei diesem zweistufigen Bondprozess zur Herstellung von doppelseitig metallisierten Keramik-Substraten gemäß der Erfindung wird die Keramik in zwei Ofendurchläufen mit den Kupferfolien auf den gegenüberliegenden Seiten des Keramik-Substrats verbunden. Für diesen Zweck wird zunächst ein Keramik-Substrat auf einen Träger positioniert und anschließend auf der obenliegenden, d. h. auf der dem Träger abgewandten Seite, mit einer Kupferfolie bedeckt. Durch Wärmeeinwirkung wird diese Seite des Keramik-Substrats mit der Metallschicht verbunden und anschießend die resultierende Anordnung abgekühlt. Anschließend wird das Substrat umgedreht und in einem zweiten Bondschritt wird die andere Seite des Substrats auf gleiche Weise mit einer Metallschicht, d. h. der Kupferfolie, versehen.In this two-step bonding process for producing double-sided metallized ceramic substrates according to the invention, the ceramic is bonded in two furnace passes to the copper foils on opposite sides of the ceramic substrate. For this purpose, a ceramic substrate is first positioned on a support and then placed on the overhead, d. H. on the side facing away from the carrier, covered with a copper foil. By the action of heat, this side of the ceramic substrate is connected to the metal layer and subsequently the resulting assembly is cooled. Subsequently, the substrate is turned over and in a second bonding step, the other side of the substrate is coated in the same way with a metal layer, i. H. the copper foil, provided.
Es ist möglich Einzel-Teil-Karten herzustellen oder Großkarten, welche mehrere herausbrechbaren Einzelteil-Karten aufweisen.It is possible to make single-part cards or large cards that have multiple break-out item cards.
Beispiele Examples
Die nachfolgenden Beispiele zeigen, wie der Formfaktor der Körner der Kupferbeschichtung die Temperaturwechselbeständigkeit eines Kupfer-Keramik-Verbunds beeinflusst.The following examples show how the shape factor of the grains of the copper coating affects the thermal shock resistance of a copper-ceramic composite.
Es wurden 2 Kupfer-Keramik-Proben über ein DCB-Verfahren hergestellt, die sich in ihren Korngrößenverteilungen unterschieden:
Kupfer-Keramik-Verbund 1, nachfolgend „K-K-V 1” (erfindungsgemäß)
Kupfer-Keramik-Verbund 2, nachfolgend „K-K-V 2” (Vergleichsprobe)Two copper-ceramic samples were prepared by a DCB process, which differed in their particle size distributions:
Copper-ceramic composite 1, hereinafter "KKV 1" (according to the invention)
Copper-
In jedem dieser 2 Kupfer-Keramik-Verbunde wurde sowohl die Ober- wie auch die Unterseite des Keramiksubstrats mit einer Kupferbeschichtung versehen. Die Kupferbeschichtung wurde dabei zunächst mit einer Seite des Keramiksubstrates mittels des SLB-Verfahrens gebondet. Anschließend wurde die gegenüberliegende Seite des Keramiksubstrates mittels des SLB-Verfahrens mit einer weiteren Kupferbeschichtung, so dass ein Kupfer-Keramik-Substrat entsteht, bei dem auf beiden Seiten der Keramik eine Kupferfolie gebondet ist. Jeweils eine der beiden Kupferbeschichtungen wurde in jeder Probe über ein Ätzverfahren nachfolgend strukturiert (gleiche Strukturierung für alle Proben).In each of these 2 copper-ceramic composites, both the top and the bottom of the ceramic substrate was provided with a copper coating. The copper coating was first bonded to one side of the ceramic substrate by means of the SLB process. Subsequently, the opposite side of the ceramic substrate was made by the SLB method with another copper coating, so that a copper-ceramic substrate is formed in which a copper foil is bonded on both sides of the ceramic. One of the two copper coatings was subsequently patterned in each sample via an etching process (same structuring for all samples).
In jedem dieser 2 Kupfer-Keramik-Verbunde betrug die Dicke der Kupferbeschichtung 0,3 mm sowie die Länge × Breite der Kupferbeschichtung: 181 × 132 mm2. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um reines Kupfer.In each of these 2 copper-ceramic composites, the thickness of the copper plating was 0.3 mm and the length × width of the copper plating was 181 × 132 mm 2 . The exemplary embodiment is pure copper.
Weiterhin enthielten beide Proben ein Al2O3-Keramiksubstrat (Al2O3-Gehalt: 96 Gew%), Dicke des Keramiksubstrats: 0,38 mm; Länge × Breite des Keramiksubstrats: 190 × 140 mm2.Further, both samples contained an Al 2 O 3 ceramic substrate (Al 2 O 3 content: 96% by weight), ceramic substrate thickness: 0.38 mm; Length × width of the ceramic substrate: 190 × 140 mm 2 .
Die Auswahl der Kupferbeschichtung wurde so gewählt, dass der erfindungsgemäße Effekt, nämlich eine gute Temperaturwechselbeständigkeit nach dem zweistufigen SLB-Bonden (erfindungsgemäßes Kupfer-Keramik-Substrat) realisiert wurde.The choice of the copper coating was chosen so that the effect according to the invention, namely a good thermal shock resistance after the two-stage SLB bonding (inventive copper-ceramic substrate) was realized.
Die Kupferbeschichtung von K-K-V 1 wies einen mittleren Formfaktor Ra(Cu) von 0,84 auf.
Die Kupferbeschichtung von K-K-V 2 wies einen mittleren Formfaktor Ra(Cu) von 0,27 auf.The copper coating of
Die Temperaturwechselbeständigkeit wurde folgendermaßen bestimmt: Zur Ermittlung der Temperaturwechselbeständigkeit des Kupfer-Keramik-Substrats wird bevorzugt ein Einzel-Teil-Substrat aus einer Großkarte herausgebrochen. Das Einzelteilsubtrat wurde in einer dem Fachmann bekannten Vorrichtung einem Temperatur-Wechsel-Zyklus unterzogen, der sich zusammensetzt aus:
- • Auslagerung bei 150°C (bevorzugt in einer ersten Kammer eines Temperaturwechselschranks) für 15 Minuten
- • Auslagerung bei –40°C (minus 40°C) (bevorzugt in einer zweiten Kammer des Temperaturwechselschranks) für 15 Minuten
- • wobei zwischen der Verlagerung von einer Kammer in die andere Kammer eine Transferzeit von 15 Sekunden liegt.
- • Storage at 150 ° C (preferably in a first chamber of a temperature change cabinet) for 15 minutes
- • Store at -40 ° C (minus 40 ° C) (preferably in a second chamber of the thermal cycler) for 15 minutes
- • there is a transfer time of 15 seconds between the transfer from one chamber to the other.
Im Rahmen von 5 Zyklen (Auslagerung 150°C zu –40°C und zurück entspricht einem Zyklus) wurde jeweils mittels Ultraschallmikroskop die Fläche der Verbindung an der Grenzfläche zwischen Kupfer und Keramik auf Delamination untersucht.In the course of 5 cycles (aging 150 ° C to -40 ° C and back corresponds to one cycle), the area of the compound at the interface between copper and ceramic was examined for delamination by means of an ultrasonic microscope.
Bei der erfindungsgemäßen Probe K-K-V 1 wurde eine gegenüber der Probe K-K-V 2 eine deutlich verringerte Delamination festgestellt.In the case of the sample K-K-V 1 according to the invention, a markedly reduced delamination was determined in comparison to the
In der nachfolgenden Tabelle 1 werden die Ergebnisse zusammengefasst: Tabelle 1: Temeraturwechselbeständikeit der Kupfer-Keramik-Verbunde
Wie die Beispiele belegen, gelingt es mit der erfindungsgemäßen Kornstruktur, die einen hohen Anteil von relativ runden bzw. kreisförmigen Körnern aufweist, eine Verbesserung der Temperaturwechselbeständigkeit zu erzielen.As the examples prove, it is possible with the grain structure according to the invention, which has a high proportion of relatively round or circular grains, to achieve an improvement in thermal shock resistance.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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